电力系统功率频率动态特性研究--期刊

2009年8月Power System Technology Aug. 2009 文章编号：1000-3673（2009）16-0058-05 中图分类号：TM761 文献标志码：A 学科代码：470·40

电力系统功率频率动态特性研究

周海锋1，倪腊琴2，徐泰山1

（1．国网电力科学研究院，江苏省南京市 210003；2．华东电力调度中心，上海市黄浦区 200002）

Study on Power-Frequency Dynamic Characteristic of Power Grid

ZHOU Hai-feng1，NI La-qin2，XU Tai-shan1

（1．State Grid Electric Power Research Institute，Nanjing 210003，Jiangsu Province，China；

2．East China Grid Dispatching Center，Huangpu District，Shanghai 200002，China）

ABSTRACT: Power-frequency characteristics of power grid are the base of the research on system operation modes, design of under-frequency load shedding and evaluation on various frequency and voltage regulation measures. Along with the enlargement of power grid scale, the power-frequency characteristics become complicated increasingly. Based on actual data of practical power grids and by use of numerical simulation, the dynamic power-frequency characteristics of power grid are researched, the space-time distribution features of power grid frequency and the factors impacting power-frequency characteristics are analyzed and the main factors that impact initial stage of frequency, dynamic process of frequency and steady-state value of frequency are given respectively.

KEY WORDS: power-frequency characteristic；power shortage；spinning reserve；load frequency coefficient；load model

摘要：电力系统功率频率特性是研究系统运行方式、设计低频减载方案以及评价各种调频调压措施等工作的基础。随着电网规模的扩大，电力系统功率频率特性日趋复杂。文中以实际电网数据为基础，采用数值仿真法研究电网的功率频率动态特性，分析了电网的频率时空分布特性以及功率频率特性的影响因素，并分别给出了影响频率初始阶段、频率动态过程以及频率稳态值的主要因素。

关键词：功率频率特性；功率缺额；旋转备用；频率调节效应系数；负荷模型

0 引言

频率是电力系统的重要参数，也是衡量电能质量的主要指标之一[1]。当电力系统受到大机组跳闸、联络线跳线或者大容量负荷投切等扰动时，由于系统有功功率平衡遭到破坏，引起系统频率发生变化继而发生频率动态过程。当系统频率变化较大时，将会给电力系统带来明显的不利影响，甚至导致频率稳定破坏事故的发生。

低频减载[2-5](under-frequency load shedding，UFLS)作为保障电网安全稳定运行3道防线[6]中的最后一道防线，是防止电力系统发生频率崩溃的紧急控制措施。正确认识电力系统功率频率特性是研究系统运行方式、整定低频减载方案和评价各种调频调压措施等工作的基础。尽管互联系统的容量越来越大，发生全局性频率崩溃的概率越来越小，但一旦发生后果将更加严重。因此深入研究电力系统功率频率特性、分析影响系统功率频率特性的因素，对电力系统的规划、运行及控制具有重要的理论和现实意义。

电力系统功率频率特性研究主要采用解析分析[7]和数值仿真[8-9]2种方法。解析分析法主要采用非均匀线性动态等值，侧重对扰动后系统各区频率动态过程的空间分布现象及特点的分析。数值仿真法可以得到系统精确的受扰轨迹，不仅有助于解释多机系统中功率频率特性的一般规律，还能评价系统中负荷电压特性及各种控制措施对频率动态过程的影响，但是数值仿真法对系统模型及参数选择的依赖性较大。

本文将在研究电力系统功率频率特性机理的基础上，采用数值仿真法揭示电网的频率时空分布特性以及影响互联大电网功率频率特性的主要因素。

1 电力系统功率频率特性

1.1 基本概念

电力系统功率频率特性是指系统有功功率不平衡时频率的变化特性，它是负荷频率特性、发电机频率特性以及电压影响的综合结果[10]。通常将其分为功率频率静态特性和功率频率动态特性，分别描述有功功率变化之后频率的状态和变化过程。其

中功率频率静态特性是指稳态下系统的有功功率和频率的关系，主要取决于负荷和机组的功率频率静态特性；功率频率动态特性是指电力系统受扰动之后，系统由于有功功率平衡遭到破坏引起系统频率发生变化，频率从正常状态过渡到另一个稳定值所经历的时间过程。

1.2 频率时空分布特性

通常互联大电网发生有功缺额扰动之后，不仅不同地点频率变化的幅值不同，而且各地频率变化量达到最大值的时间也不同，使系统频率呈现出明显的时空分布特性。文献[11]对美国西部电网WSCC系统和东部电网EUS系统的研究表明，扰动后互联大电网不同频率观测点可以观测到不同的频率响应过程。频率的时空分布特性是互联大电网区别于简单网络分析结果的重要特性之一。

2 功率频率过程及影响因素分析

2.1 功率频率动态过程分析

电力系统发生有功缺额时，系统频率的变化涉及输电网络结构、发电机运动方程及其参数、调速器模型及旋转备用[12-14]、励磁调节模型和负荷模型[15-16]。发生有功缺额故障后，系统原有的有功平衡状态被打破，各发电机组将按其同步功率分担发电缺额，并释放转子储存的部分惯性动能。转子动能的消耗将使机组转速下降，系统频率降低。系统频率偏离额定值时，负荷吸收的有功功率随之变化。机组自动调节装置检测到转速改变而动作，各机组将按调速系统的调差系数重新分配负荷，最后由系统的调频机组增加出力使频率恢复到额定值。在整个过程中，各机组的转速因各自初始承担的负荷不同、惯性不同、调速器的调节特性不同，各机组承担着不同的负荷功率分配比例。

影响系统功率频率过程的因素主要集中在故障扰动地点、发电机组模型及其参数、调速器调节特性、旋转备用容量及其分布和负荷特性等几个因素上。

2.2 功率频率特性影响因素分析

有功缺额扰动发生在不同地点时，将会改变电网的运行方式。运行方式的改变影响系统潮流分布，尤其是无功的变化会导致负荷点电压的改变，而电压的变化又会通过负荷的电压特性影响负荷吸收的有功功率，从而影响系统的功率频率特性。

机组模型中对功率频率特性影响较大的参数是机组的惯性时间常数，其物理意义是发电机空载时，在转子上加额定转矩，转子从静止状态到达其额定转速的所需时间。因此增大机组惯性时间常数，将降低频率变化的速率，延迟频率达到极值的时间，使振荡周期变长。减少惯性时间常数将对功率频率动态过程起相反作用。

旋转备用对于即时抵偿由于随机事件，如短时间的负荷波动、日负荷曲线的预测误差和发电机组因偶然事件退出运行等引起的功率缺额有很大帮助，其容量和分布对功率频率特性的影响非常大。

各机组旋转备用需要机组的调速系统参与发挥作用，调速系统的调差系数对于系统的功率频率过程有重要影响，它直接影响机组在转速发生变化时有功功率调节能力。调差系数大，一次调频能力差，频率变化时对应有功功率变化小。

反映负荷频率调节能力的主要参数是负荷频率调节效应系数，其数值与系统中各类负荷所占的比例有关，不同电力系统或同一电力系统在不同时刻该系数可能不同。当系统发生功率缺额时，负荷的调节效应可减少有功功率的不平衡程度。

3 仿真分析

3.1 系统及参数

以某互联电网为研究对象，该系统内共有1000多条母线、140多台发电机组，总有功出力为19201.5MW，无功出力为7215.5Mvar，有功负荷为18653.4MW，无功负荷为7863.3Mvar。系统负荷模型采用一定比例感应电动机负荷和多项式静态负荷组成综合负荷模型。

3.2 频率时空分布特性仿真

以该电网某电厂有功脱落100MW为扰动故障(占全网发电量的0.52%)，故障后各观测点频率动态过程如图1所示。

由图1可见，大电网发生有功功率缺额时，系统不同频率观测点的频率动态过程存在明显差异。其中距故障扰动点越近频率变化越剧烈，初始频率跌落越快；距故障点越远频率波动越平稳，初始频

故障扰动点

靠近故障点

远离故障点

距故障中间点

0.0 2.0

1.0 3.0 4.0

t/s

f

/

H

z

49.80

49.90

50.00

49.85

49.95

图1 有功脱落100 MW后各观测母线的频率响应曲线Fig. 1 Bus frequencies response curve when

100 MW active power tripped from generator